Распыление платины ионами инертных газов низких энергий тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.04 ВАК РФ

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ им. М.В. ЛОМОНОСОВА

Физический факультет

На правах рукописи

ХАЙДАРОВ АБДУСАМЕ АББОСОВИЧ

РАСПЫЛЕНИЕ ПЛАТИНЫ ИОНАМИ ИНЕРТНЫХ ГАЗОВ

НИЗКИХ ЭНЕРГИЙ

Специальность 01.04.04 - физическая электроника

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель ведущий научный сотрудник доктор физ.-мат. наук B.C. Черныш

Москва - 1999

СОДЕРЖАНИЕ

Введение................................................................................................................4

Глава I. Распыление одноэлементных материалов (основные

закономерности, механизмы)..............................................................................9

1.1 Введение.......................................................................................................9

1.2. Характеристики, используемые при описании распыления...............11

1.3. Распыление монокристаллов..................................................................14

1.3.1. Анизотропия угловых распределений монокристаллов................14

1.3.2. Механизмы распыления монокристаллов.......................................14

1.4. Распыление поликристаллов и аморфных мишеней............................21

1.4.1 Каскадный механизм и теория распыления Зигмунда....................21

1.4.2. Распыление легкими ионами............................................................24

1.4.3. Режим первичного выбивания атомов.............................................30

1.4.4. Режим тепловых пиков......................................................................31

1.4.5. Угловые распределения распыленных частиц................................33

1.4.6. Заключение к обзору и постановка задачи......................................52

Глава II. Методика изучения угловых распределений распыленных частиц.................................................................................................................56

2.1. Экспериментальная установка................................................................56

2.2. Методика и условия проведения экспериментов по изучению угловых распределений распыленных частиц.............................................60

2.3. Подготовка мишеней................................ ................................................62

2.4. Применение обратного резерфордовского рассеяния для измерения угловых распределений распыленных частиц.............................................62

2.5. Компьютерное моделирование

66

Глава III. Угловые распределения частиц при распылении поликристалла

Pt ионами Аг+....................................................................................................68

3.1. Введение....................................................................................................68

3.2. Угловые распределения атомов при распылении текстурированного поликристалла Pt.............................................................................................69

3.3. Угловые распределения атомов, распыленных из нетекстурированного поликристалла Pt.......................................................72

3.4. Влияние массы бомбардирующих ионов на угловое распределение распыленных частиц.......................................................................................76

Глава IV. Распыление поликристалла Pt легкими ионами............................79

4.1. Введение....................................................................................................79

4.2. Угловые распределения частиц, распыленных из поликристалла Pt, облучаемого ионами Не+...............................................................................80

4.3. Парциальные угловые распределения распыленных частиц..............86

4.4. Механизмы распыления поликристалла Pt низкоэнергетичными ионами Не+ и Аг+............................................................................................90

4.5. Влияние энергии бомбардирующих ионов на вклад различных механизмов в распыление Pt........................................................................100

Основные результаты и выводы.....................................................................108

Литература........................................................................................................111

Введение.

При бомбардировке поверхности твердого тела ускоренными ионами наблюдается процесс распыления, т.е. эмиссии атомов твердого тела. Надежно установлено, что атомы твердого тела эмитируются в вакуум (или распыляются) . вследствие столкновений, инициируемых

бомбардирующими частицами в приповерхностных слоях твердого тела.

Большой прогресс в понимании физики распыления был достигнут после открытия в 1955 году Венером анизотропии угловых

распределений частиц, распыленных из монокристаллов и опубликования в 1969 году Зигмундом каскадной теории распыления. Однако, сегодня, когда распыление стало неотъемлемой частью разнообразных технологических процессов и играет существенную роль в функционировании различных устройств, требуются все более детальные сведения о механизмах процесса распыления.

С этой точки зрения изучение пространственных распределений распыленных частиц занимает важное место в исследованиях распыления. Эта особая роль связана с тем, что пространственные распределения содержат богатейшую информацию о процессах атомных столкновений, происходящих при ионной бомбардировке в приповерхностных слоях твердого тела. Поэтому исследование пространственных распределений распыленных частиц можно рассматривать как очень эффективный метод изучения механизмов распыления.

Кроме того, сведения об угловых распределениях распыленного материала необходимы для таких практических приложений как

напыление тонких пленок, развитие методов анализа на основе масс-спектрометрии вторичных ионов (МСВИ) и распыленных нейтралей (МСРН), проблема первой стенки УТР и т.д.

Согласно наиболее часто используемой в настоящее время каскадной теории распыления Зигмунда зависимость числа распыленных частиц от угла вылета 9 соответствует закону косинуса, т.е.:

У(9) = Уо соэ 0 ,

где У0 - число частиц, распыленных по нормали к поверхности мишени. Наблюдаемые в эксперименте пространственные распределения распыленных частиц практически никогда не соответствуют закону косинуса. При низких энергиях бомбардирующих ионов выход распыленных частиц вблизи нормали подавлен по сравнению с распределением, описываемым законом косинуса. Такие распределения принято называть подкосинусным. А с увеличением энергии угловые распределения вытягиваются вдоль нормали к поверхности, образуя так называемые надкосинусные угловые распределения. Лишь совсем недавно на базе различных модификаций каскадной теории распыления удалось описать трансформацию угловых распределений распыленных частиц с ростом энергии бомбардирующих ионов. Однако, многие важные детали формирования потока распыленных частиц до сих пор не выяснены до конца. Поэтому необходимы систематические экспериментальные \ исследования, направленные на изучение механизмов формирования пространственных распределений распыленных частиц. Кроме того,

выводы аналитической теории о трансформации угловых распределений распыленных частиц также требуют всесторонней экспериментальной проверки.

Очень важным направлением в исследованиях распыления является распыление легкими ионами. Интерес к изучению распыления легкими ионами возник в связи с проблемой интерпретации результатов анализа лунного грунта, а позднее, в связи с развитием работ по управляемому термоядерному синтезу. Основное внимание здесь уделялось изучению энергетической зависимости коэффициента распыления, блистеринга и охрущивания. В то же время, угловые распределения распыленных частиц, информация о которых необходима при решении проблемы первой стенки УТР, изучены недостаточно. Поэтому в настоящей работе была поставлена задача провести экспериментальные исследования угловых распределений распыленных частиц при бомбардировке мишени легкими ионами. Для выявления роли различных механизмов в формировании угловых распределений распыленных частиц параллельно с экспериментальными исследованиями, проводилось компьютерное моделирование распыления легкими ионами.

Целью работы является:

- экспериментальное исследование пространственных распределений частиц, распыленных из поликристалла Р1 ионами разного типа;

- исследование роли различных механизмов в формировании пространственных распределений распыленных частиц при бомбардировке поликристалла легкими и тяжелыми ионами;

- экспериментальная проверка современных аналитических теорий распыления.

Научная новизна.

В работе впервые:

- проведено систематическое экспериментальное исследование угловых распределений частиц, распыленных из поликристаллической мишени;

разработана методика анализа угловых распределений распыленных частиц на базе компьютерной программы TRIM.SP;

- показано, что механизм распыления обратнорассеянными ионами играет основную роль в распылении поликристалла Pt ионами Не+ с энергиями от 1,5 до 9 кэВ;

- изучена роль различных механизмов (поверхностные и каскадный механизмы, распыление обратнорассеянными ионами) в формировании угловых распределений распыленных частиц;

- экспериментально исследовано влияние соотношения масс-бомбардирующего иона и атома мишени на характер угловых распределений распыленных частиц.

Научная и практическая значимость работы.

Постоянный интерес к проблемам физики распыления определяется широким применением низкоэнергетичных ионных пучков (0,5 -ь 10 кэВ) в анализе поверхности и тонких пленок, основанном на регистрации распыленных частиц, например, в МСВИ и МСРН. Однако, недостаточное понимание фундаментальных процессов, развивающихся в приповерхностном слое, и их влияния на формирование потока

распыленного материала не позволяет использовать в полной мере возможности этих уникальных методов. Вследствие этого изучение роли различных механизмов в формировании потока распыленных частиц, выполненное в настоящей работе, представляет значительный интерес для расшифровки экспериментальных распределений распыленных частиц.

Установленные в работе закономерности распыления легкими ионами представляют значительный интерес для решения проблемы первой стенки УТР.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Угловые распределения частиц, распыленных из поликристалла Pt ионами Не+ с энергиями от 1,5 до 9 кэВ являются надкосинусными.

2. Методика анализа угловых распределений распыленных частиц на основе компьютерной программы TRIM.SP.

3. Механизм распыления обратнорассеянными ионами дает основной вклад в распыление поликристалла Pt ионами Не+ с энергиями от 1,5 до 9 кэВ.

4. Анизотропия каскада атомных столкновений приводит к формированию надкосинусных угловых распределений частиц, распыленных из поликристалла Pt ионами Ne+ и Аг+, причем степень неизотропности каскада определяется соотношением масс бомбардирующего иона и атома мишени.

Апробация результатов работы.

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на XIII Международной конференции «Взаимодействие ионов с поверхностью» (Звенигород, Россия, 1997), XVII Международной

конференции по атомным столкновениям в твердых телах (Китай, 1997), Международной конференции «Эмиссионная электроника, новые методы и технологии» (Ташкент, Узбекистан, 1997), XXVIII Международной конференции «Взаимодействие заряженных частиц с кристаллами (Москва, Россия, 1998), 2-ом Японско-Российском симпозиуме.«Взаимодействие быстрых заряженных частиц с твердыми телами» (Нагойя, Япония, 1998) и опубликованы в работах [95-101].

Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Работа содержит 122 страницы машинописного текста и 45 рисунков. Список литературы насчитывает 101 наименование.

8а

Глава I. Распыление одноэлементных материалов (основные закономерности, механизмы).

1.1 Введение.

Явление распыления наблюдалось впервые в 1852 году Гроувом [1], который изучая прохождение электрического тока через газы обнаружил вблизи катода металлизацию стеклянных стенок разрядной трубки. Причины эмиссии частиц из поверхности катода (катодное распыление) активно изучались в последующие сто лет [2,3]. Наибольшей популярностью и признанием пользовались модели, согласно которым катодное распыление относилось к классу термоэмиссионных явлений, например, в модели горячего пятна [4] эмиссия атомов рассматривалась как испарение из микроскопической области, разогретой вблизи точки падения высокоэнергетичного иона. Подчеркнем, что пространственное распределение распыленных частиц являлось одним из основных критериев применимости той или иной модели уже на ранних этапах исследования распыления. Так например, обнаруженные в экспериментах [5] распределения выхода распыленных частиц по закону косинуса рассматривались как весомое доказательство непримиримости столкновительной теории распыления [6].

В 1955 году Венер в экспериментах по распылению монокристаллов обнаружил преимущественную эмиссию атомов вдоль плотно упакованных кристаллографических направлений [7]. Эти эксперименты открыли новую эпоху в изучении распыления, указав, со всей

очевидностью, на импульсный (столкновительный) характер явления распыления. Открытие «пятен Венера» послужило мощным импульсом в исследовании не только распыления, но и многочисленных явлений : эмиссия вторичных ионов, фотонов, электронов и т. д., происходящих при ионном облучении поверхности твердых тел.

Следующими важнейшими достижениями, которые наряду с работами Венера позволили выявить физическую природу явления распыления, явились эксперименты Хонига [8], изучившего с помощью масс- спектрометрической методики состав продуктов распыления, и Томпсона [9], который применил время-пролетную методику для изучения энергетических распределений распыленных частиц. Эти эксперименты показали, что поток эмитируемых под действием ионной бомбардировки из поверхности мишени частиц состоит, в основном, из атомов облучаемого вещества, а скорости распыленных частиц значительно превышают тепловые.

К настоящему времени накоплен огромный экспериментальный материал по основным закономерностям распыления. Разработаны теории распыления, которые во многих случаях дают удовлетворительное описание зависимости коэффициента распыления одноэлементных материалов от энергии, угла падения и типа бомбардирующих ионов. Исследовано влияние состояния мишени (температура, структура, шероховатость поверхности и т.д.) и условий проведения эксперимента на характеристики распыления. Всестороннему рассмотрению физики распыления посвящены многочисленные обзоры и монографии, например [16-18]. Однако, до сих пор остаются непонятными многие важные аспекты этого сложного, многообразного явления. Процитируем в этой

связи Хофера, одного из авторов вышедшего недавно в нашей стране третьего тома книги «Распыление под действием бомбардировки частицами» [10]: «Более чем тридцатилетние исследования угловых распределений атомов, распыленных из монокристаллов, еще не дали полного понимания явления распыления».

Попытаемся в настоящем обзоре литературы понять степень «непонимания» распыления на современном этапе исследований этого явления. Мы не ставим при этом задачу детального анализа современного состояния исследований распыления. Остановимся лишь на тех аспектах, без рассмотрения которых трудно (или невозможно) проводить анализ экспериментов по изучению угловых распределений распыленных частиц, выполненных в настоящей работе.

1.2. Характеристики, используемые при описании распыления.

Для описания распыления используются различные величины и характеристики. Основной величиной, характеризующей распыление, является коэффициент распыления, который определяется как среднее число атомов мишени, распыленных из твердого тела одним падающим ионом:

г =

ат

ион

(1.1)

Распределение распыленных частиц в пространстве над мишенью описывается пространственным или угловым распределением:

й2У

СЮ. ¿/ф^СОэВ

(1.2)

которое характеризует число частиц, распыленных в телесный угол проекции оси которого определяются азимутальным углом (р и полярным углом В.

Энергетическое распределение распыленных частиц описывается распределением:

где Е0 - начальная энергия бомбардирующих ионов, и0 - энергия связи атомов на поверхности.

Обычно эксперименты по изучению угловых распределений распыленных частиц построены по схеме, представленной на рис. 1.1. Пучок бомбардирующих ионов падает на поверхность мишени, лежащей в плоскости (Х,У), под некоторым углом а. Чаще всего проводились измерения угловых распределений частиц, в плоскости т.е. при а=0°.

Иногда исследовались угловые распределения в плоскости (Х,2), которая перпендикулярна плоскости падения, т.е. при а=90°. Полные пространственные распределения измерялись довольно редко. При нормальном падении ионного пучка (а=0°) угловые распределения частиц, распыленных из аморфных и нетекстурированных поликристаллических

(1.3)

так, что:

(1.4)

Рис. 1.1. Схема исследования угловых распределений.

мишеней симметричны относительно оси Ъ, т.е. не зависят от азимутального угла ср.

1.3. Распыление монокристаллов.

1.3.1. Анизотропия угловых распределений монокристаллов.

Как уже отмечалось выше, в середине 50-х годов Венером были выполнены эксперименты по изучению пространственных распределений частиц, распыленных из монокристаллов, которые открыли новый этап �